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新方法:采用“钾”提升新一代钙钛矿太阳能电池性能

更新时间:2018-03-27 10:16:00 来源:

近日,英国剑桥大学的国际科研团队发现,采用简单的钾溶液可以提高新一代太阳能电池的光电转换效率,将更多的阳光转化为电力。

钙钛矿(Perovskite),是一类有着与钛酸钙(CaTiO)相同晶体结构的材料。

卤化物钙钛矿由于其优异的光电性质,能带连续可调,易于制备,成本低廉等一系列优势,成为新一代光电器件领域的有力竞争者。尤其是在太阳能电池领域,钙钛矿太阳电池效率由2009年的3.8%提升到目前的22%以上,只用了不到10年的时间,不可谓之不迅猛。

钙钛矿材料的应用前景非常广,例如光通信、数据存储、太赫兹通信、太阳能电池领域。目前,备受关注和追捧的要属钙钛矿太阳能电池。钙钛矿太阳能电池投入市场以及大规模应用指日可待,并有望引领未来太阳能电池市场的新走向。

韩国蔚山国立科技研究所(UNIST)发明的钙钛矿太阳能电池


阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)采用钙钛矿纳米晶体进行照明和数据通信


瑞士洛桑联邦理工学院采用钙钛矿材料进行数据存储


尽管如此,就算是目前最好的钙钛矿太阳能电池中,钙钛矿的发光效率仍远低于100%,这为提高钙钛矿太阳能电池的效率留下了足够大的改进空间。这主要是因为,寄生非辐射损失以及光诱导离子隔离,导致钙钛矿发光效率不高。


钙钛矿晶体生成的原子尺度图像

有鉴如此,英国剑桥大学Samuel D. Stranks课题组基于卤化钾钝化策略,极大地提高了钙钛矿发光效率,并相应地提升了对应的钙钛矿太阳能电池的发光效率。研究结果发表于《自然(Nature)》杂志。

在这项研究中,研究人员将碘化钾添加到钙钛矿墨水中,这种墨水可自组装到薄膜中,改变了钙钛矿层的化学成分。这种技术兼容卷对卷制程(roll-to-roll processes),这意味着它是廉价且可扩展的。碘化钾在钙钛矿的顶部形成一个“装饰”层,可以修复缺陷,使得电子运动得更加自由,同时也限制了离子的运动,从而使得材料在期望的能带隙条件下更加稳定。


钙钛矿和钾组成的器件在测试中显示出良好的稳定性,光电转换效率达21.5%,与目前最佳的钙钛矿基太阳能电池相似,而且接近硅基太阳能电池的实用效率极限(29%)。由两层钙钛矿组成的、具有理想能带隙的叠层电池的理论效率极限是45%,实际极限是35%,这两个值都高于目前硅的实际效率极限。